阅读说明：本技术 一种燃料电池用高增益低应力dc/dc变换器 (High-gain low-stress DC/DC converter for fuel cell ) 是由 周美兰 付俊 王嘉明 吴晓刚 张宇 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器,包括燃料电池、储能电路、开关电容电路和负载,储能电路包括第一储能电感、第二储能电感、第三储能电感、第一储能电容、第二储能电容、第三储能电容、第一储能二极管、第二储能二极管、第三储能二极管和第一功率开关管,开关电容电路包括第二功率开关管、第一开关电容、第二开关电容、第三开关电容、第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管和第四开关二极管,本发明通过储能电路的作用,在占空比较小的情况下可获得电压高增益,有效避免出现极端占空比的问题,同时通过开关电容电路的作用,实现器件低电压应力。(The invention discloses a high-gain low-stress DC/DC converter for a fuel cell, which comprises a fuel cell, an energy storage circuit, a switch capacitor circuit and a load, wherein the energy storage circuit comprises a first energy storage inductor, a second energy storage inductor, a third energy storage inductor, a first energy storage capacitor, a second energy storage capacitor, a third energy storage capacitor, a first energy storage diode, a second energy storage diode, a third energy storage diode and a first power switch tube, the switch capacitor circuit comprises a second power switch tube, a first switch capacitor, a second switch capacitor, a third switch capacitor, a first switch diode, a second switch diode, a third switch diode and a fourth switch diode, the invention can obtain high voltage gain under the condition of small duty ratio through the action of the energy storage circuit, effectively avoid the problem of extreme duty ratio, and simultaneously through the action of the switch capacitor circuit, and low voltage stress of the device is realized.)

一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及变换器领域，特别是涉及一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器。

背景技术

随着交通工具数量的日益增长，大量化石燃料的使用导致了严重的能源短缺和环境污染问题，大力发展新能源汽车成为了目前迫切的要求。燃料电池汽车由于其清洁，高效的特点备受汽车行业青睐，然而发展燃料电池汽车存在着诸多问题，比如燃料电池的输出特性软，随着输出电流的增大，输出电压迅速下降，无法直接用于汽车供电。因此，研发一种具有高增益的DC/DC变换器成为了发展燃料电池汽车的重中之重。传统的Boost电路很难获得高电压增益，无法满足燃料电池汽车的需求，并且在高增益的时候，开关管会出现极端占空比的问题，使得开关管的导通时间过长，对开关管造成损害。

现有的一些非隔离式高增益DC/DC变换器中，存在着开关管、电容等器件的电压应力过大、输入端和输出端不共地的问题，一方面为变换器器件选型带来困难，另一方面输入端和输出端不共地的结构会在输入和输出间产生高频的脉动电压，降低了变换器工作的可靠性。而现有的隔离式DC/DC变换器能够通过耦合电感获得很高的电压增益，但隔离式的结构使得变换器的体积增大，不适用于燃料电池汽车的使用，不能满足人们的日常需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，具有高增益、低应力、控制简单、输入端和输出端共地等优点。

一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，包括燃料电池U_in、储能电路、开关电容电路和负载R_L，所述储能电路包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3、第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3、第一储能二极管D1、第二储能二极管D2、第三储能二极管D3和第一功率开关管Q1；所述开关电容电路包括第二功率开关管Q2；所述第一储能电感L1的两端分别与燃料电池U_in正极、第一储能二极管D1阳极和第二储能二极管D2阳极进行连接，第一储能电容C1的两端分别与第一储能二极管D1阴极和燃料电池U_in负极进行连接，第二储能电感L2的两端分别与第一储能二极管D1阴极和第二储能二极管D2阴极进行连接，所述第二储能二极管D2阴极与第一功率开关管Q1漏极进行连接，第一功率开关管Q1源极与燃料电池U_in负极进行连接，第三储能二极管D3阳极与第二储能二极管D2阴极进行连接，第三储能二极管D3阴极通过第二储能电容C2与燃料电池U_in负极进行连接，第三储能电感L3的两端分别与第三储能二极管D3阴极和第二功率开关管Q2漏极进行连接，第三储能电容C3的两端分别与第三储能二极管D3阳极和第二功率开关管Q2源极进行连接。

进一步地，所述开关电容电路包括第一开关电容C4、第二开关电容C5、第三开关电容C6、第一开关二极管D4、第二开关二极管D5、第三开关二极管D6和第四开关二极管D7，所述第二开关管Q2源极通过第一开关二极管D4与负载R_L的一端进行连接，第二开关管Q2漏极通过相互串联的第二开关二极管D5、第三开关二极管D6和第四开关二极管D7与负载R_L的另一端进行连接，串联连接的第二开关电容C5和第三开关电容C6与负载R_L并联连接，第二开关管Q2漏极通过第一开关电容C4与串联连接的第三开关二极管D6和第四开关二极管D7的中点进行连接，串联连接的第二开关二极管D5和第三开关二极管D6的中点与串联连接的第二开关电容C5和第三开关电容C6的中点进行连接。

进一步地，所述第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时导通同时关断，采用同一个PWM驱动信号Vg。

进一步地，所述第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2包括第一工作模态和第二工作模态，所述第一工作模态下，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时导通；所述第二工作模态下，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时关断。

进一步地，所述第一工作模态下，燃料电池U_in通过串联第二储能二极管D2和第一功率开关管Q1为第一储能电感L1充电，第一储能电容C1通过串联第一功率开关管Q1为第二储能电感L2充电，第三储能电容C3通过串联第二功率开关管Q2为第三储能电感L3充电，第一开关电容C4和第三开关电容C6通过第三开关二极管D6为第一开关电容C4充电；第二开关电容C5和第三开关电容C6通过负载R_L放电。

进一步地，所述第二工作模态下，燃料电池U_in和第一储能电感L1串联第一储能二极管D1为第一储能电容C1充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3和第一开关电容C4串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3和第四开关二极管D7为负载R_L供电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3、第二开关二极管D5为第三开关电容C6充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2串联第一储能二极管D1、第一开关二极管D4为第三储能电容C3充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3为第二储能电容C2充电。

进一步地，所述变换器的电压增益M为：

式中，d为第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的占空比。

进一步地，所述第一功率开关管Q1的电压应力为所述述第二功率开关管Q2的电压应力为所述第一储能电容C1的电压应力为所述第二储能电容C2和第三储能电容C3的电压应力为所述第一开关电容C4和第二开关电容C5的电压应力为所述第三开关电容C6的电压应力为其中U_o为输出电压。

本申请与现有技术相比，具有如下有益的效果：

1、本申请满足了燃料电池汽车高增益的需求，在实现高增益的同时，开关管不会出现极端占空比的问题；

2、本申请的变换器电路中，功率半导体器件和电容的电压应力低，便于变换器的器件选型，提高了变换器工作的安全性；

3、本申请的变换器属于输入端和输出端共地的结构，避免了输入端和输出端之间出现高频脉动电压的问题，提高了变换器工作的可靠性；

4、本申请的变换器属于非隔离式变换器，有效的减小了变换器的体积；

5、本申请的变换器用到的两个功率开关管同时导通同时关断，有效的降低了电路控制的复杂性。

附图说明

图1是本发明提出的燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器电路示意图；

图2是本发明提出的变换器中功率开关管的调制策略图；

图3是本发明提出的变换器工作在工作模态一时的等效电路示意图；

图4是本发明提出的变换器工作在工作模态二时的等效电路示意图；

图5是本发明提出的变换器理论电压增益与传统Boost电路理论电压增益对比图；

图6是本发明提出的变换器电感电流波形图；

图7是本发明提出的变换器二极管电压应力波形图；

图8是本发明提出的变换器开关管电压应力图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，包括燃料电池U_in、储能电路、开关电容电路和负载R_L，所述储能电路包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3、第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3、第一储能二极管D1、第二储能二极管D2、第三储能二极管D3和第一功率开关管Q1；所述开关电容电路包括第二功率开关管Q2；所述第一储能电感L1的两端分别与燃料电池U_in正极、第一储能二极管D1阳极和第二储能二极管D2阳极进行连接，第一储能电容C1的两端分别与第一储能二极管D1阴极和燃料电池U_in负极进行连接，第二储能电感L2的两端分别与第一储能二极管D1阴极和第二储能二极管D2阴极进行连接，所述第二储能二极管D2阴极与第一功率开关管Q1漏极进行连接，第一功率开关管Q1源极与燃料电池U_in负极进行连接，第三储能二极管D3阳极与第二储能二极管D2阴极进行连接，第三储能二极管D3阴极通过第二储能电容C2与燃料电池U_in负极进行连接，第三储能电感L3的两端分别与第三储能二极管D3阴极和第二功率开关管Q2漏极进行连接，第三储能电容C3的两端分别与第三储能二极管D3阳极和第二功率开关管Q2源极进行连接。

所述开关电容电路包括第一开关电容C4、第二开关电容C5、第三开关电容C6、第一开关二极管D4、第二开关二极管D5、第三开关二极管D6和第四开关二极管D7，所述第二开关管Q2源极通过第一开关二极管D4与负载R_L的一端进行连接，第二开关管Q2漏极通过相互串联的第二开关二极管D5、第三开关二极管D6和第四开关二极管D7与负载R_L的另一端进行连接，串联连接的第二开关电容C5和第三开关电容C6与负载R_L并联连接，第二开关管Q2漏极通过第一开关电容C4与串联连接的第三开关二极管D6和第四开关二极管D7的中点进行连接，串联连接的第二开关二极管D5和第三开关二极管D6的中点与串联连接的第二开关电容C5和第三开关电容C6的中点进行连接。

如图2所示，所述第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时导通同时关断，采用三角载波V_C和调制波V_r进行调制，得到同一个PWM驱动信号Vg。

如图3所示，所述第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2包括第一工作模态和第二工作模态，所述第一工作模态下，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时导通；所述第二工作模态下，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2同时关断。

进一步地，所述第一工作模态下，燃料电池U_in通过串联第二储能二极管D2和第一功率开关管Q1为第一储能电感L1充电，第一储能电容C1通过串联第一功率开关管Q1为第二储能电感L2充电，第三储能电容C3通过串联第二功率开关管Q2为第三储能电感L3充电，第一开关电容C4和第三开关电容C6通过第三开关二极管D6为第一开关电容C4充电；第二开关电容C5和第三开关电容C6通过负载R_L放电。

根据图3的等效电路，由基尔霍夫电压定律，得到公式(1)。

式中，U_c1、U_c2、U_c3、U_c4、U_c5、U_c6分别为第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3、第一开关电容C4、第二开关电容C5和第三开关电容C6的电压，U_L1on、U_L2on和U_L3on为第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2导通时，第一储能电感L1、第二储能电感L2和第三储能电感L3两端的电压，U_in为变换器输入电压，U_o为输出电压。

如图4所示，所述第二工作模态下，燃料电池U_in和第一储能电感L1串联第一储能二极管D1为第一储能电容C1充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3和第一开关电容C4串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3和第四开关二极管D7为负载R_L供电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3、第二开关二极管D5为第三开关电容C6充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2串联第一储能二极管D1、第一开关二极管D4为第三储能电容C3充电；燃料电池U_in、第一储能电感L1、第二储能电感L2串联第一储能二极管D1、第三储能二极管D3为第二储能电容C2充电。

根据图4的等效电路，由基尔霍夫电压定律，得到公式(2)。

式中，U_L1off、U_L2off和U_L3off为第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2关断时,第一储能电感L1、第二储能电感L2和第三储能电感L3两端的电压。

根据伏秒平衡原则，对第一储能电感L1和第二储能电感L2列出伏秒平衡方程，得到公式(3)。

联立公式(1)、公式(2)和公式(3)，得到变换器理论电压增益M如公式(4)所示，所述变换器的电压增益M为：

式中，d为第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的PWM驱动信号Vg的占空比，且0<d<1。

图5是本发明提出的变换器理论电压增益与传统Boost电路理论电压增益对比图，从图中可以看出在所设占空比范围内，所提出的变换器电压增益式中高于传统Boost电路。

联立公式(1)、公式(2)和公式(3)三组公式，可以得到变换器中相关器件的电压应力如公式(5)所示。

式中，U_Q1和U_Q2为第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2两端的电压，从公式(5)中可以看出功率开关管和电容具有较低的电压应力；所述第一功率开关管Q1的电压应力为所述述第二功率开关管Q2的电压应力为所述第一储能电容C1的电压应力为所述第二储能电容C2和第三储能电容C3的电压应力为所述第一开关电容C4和第二开关电容C5的电压应力为所述第三开关电容C6的电压应力为其中U_o为输出电压。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。